JPH0719774B2 - 選択的薄膜エッチング法及びそれに使用するガス混合物 - Google Patents

選択的薄膜エッチング法及びそれに使用するガス混合物

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JPH0719774B2 JP63067977A JP6797788A JPH0719774B2 JP H0719774 B2 JPH0719774 B2 JP H0719774B2 JP 63067977 A JP63067977 A JP 63067977A JP 6797788 A JP6797788 A JP 6797788A JP H0719774 B2 JPH0719774 B2 JP H0719774B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は二酸化ケイ素上に形成された膜例えば窒化ケイ
素の選択的な、好ましくは異方性のエッチングに関す
る。とりわけ、本発明は下層二酸化ケイ素に対して高い
選択性で、制御された窒化ケイ素プロフイルおよび制御
された二酸化ケイ素の減少または増加で異方的に窒化ケ
イ素をエッチングする方法に関する。
複合体窒化ケイ素被覆二酸化ケイ素は集積回路において
多くの適用を有する。例えば窒化物被覆酸化物はフィー
ルド分離酸化物のLOCOS形成中のIC（集積回路）ウェー
ハのフィールド領域の選択的露出のために酸化マスクと
して使用できる。そのような適用において下層酸化物は
非常に薄いことができる。窒化ケイ素LOCOSマスクのパ
ターニング中に、ホトレジストのようなリソグラフマス
クをディメンション損失なく良好な分解能で、上層ホト
レジストマスクおよび下層の薄い酸化物のエッチングな
く（すなわち、適当に高い選択性で）窒化ケイ素中に正
確に模写することが必要である。窒化物が後に活性領域
から除去されるとき、ホトレジストがLOCOS酸化の前に
剥離されるのでホトレジストに対する選択性は関係がな
い。しかし、薄い酸化物の劣化または除去の防止はなお
非常に重要である。
フルオロカーボンエッチング剤例えばCH3FおよびCH2F2
並びにSF6およびNF3は窒化ケイ素のエッチングに使用さ
れた。フルオロカーボンエッチング剤は酸化物上に付着
し、従って、エッチング選択性を高める不揮発性炭素含
有有機重合体を形成することができる。しかし、炭素は
粒子を形成し、従って、殊に比較的少ない非常に小さい
粒子に対しても鋭敏であるLSI（大規模集積）およびVLS
I（超大規模集積）回路に対する好ましくないダーティ
プロセスを生ずる。さらに、有機重合体層はリアクター
内にときどき無差別に付着することができ、リアクター
の比較的頻繁な洗浄を必要とする。
発明の概要 本発明の主目的は薄膜例えば二酸化ケイ素下層上に形成
された窒化ケイ素を選択的にエッチングすることであ
る。
関連目的は窒化ケイ素被覆二酸化ケイ素の選択的異方性
エッチングを、生ずる制御された異方性窒化物エッチプ
ロフィルおよび下層酸化物に対する制御された選択性
（増加または減少）で達成する方法を提供することであ
る。
他の関連目的はホトレジストマスクに対する制御された
選択性もまた達成する方法を提供することである。
上記および他の目的は窒化ケイ素をエッチングし酸化物
を選択的に付着してそれによりフッ素種による酸化物下
層の固有のエッチングを相殺するSiF4およびO2基反応物
ガス流を用いて達成される。我々の知る限り、SiF4およ
びO2は二酸化ケイ素の付着に用いられたが、しかし薄膜
例えば窒化物のエッチングおよびそのような膜の下層上
の制御付着を有するエッチングに使用されなかった。
１観点において、我々の方法は酸化ケイ素下層上に形成
された窒化ケイ素層を含む物体の窒化ケイ素層成分を、
酸化ケイ素下層に対して制御された選択性で、選択的に
（および異方的に）エッチングするために適合され、物
体をSiF4および酸素の反応物ガス流から形成されたプラ
ズマにさらすことを含む。
他の関連観点において、我々の方法は酸化ケイ素下層上
に窒化ケイ素の層を含む物体の窒化ケイ素層成分を、酸
化ケイ素下層に対して制御された高い選択性で、窒化ケ
イ素上に形成されたホトレジストエッチマスクを用いて
プラズマエッチング室中でエッチングする方法であり、
マスクした物体をエッチング室中に配置し、ホトレジス
トに対しおよび酸化物下層に対し高い選択性で窒化ケイ
素をエッチングするNF3、SiF4およびO2を含む選ばれた反
応性ガス混合物を室中へ連通することを含む。
発明の詳細な説明 （１）全工程 本発明は窒化ケイ素を、有機ホトレジストマスクに対す
る高い選択性および酸化物に対する制御された選択性を
伴なって制御された異方性でエッチングするために酸素
含有フッ素化ガス化学種を真空プラズマリアクター中に
用いる。この制御された窒化ケイ素エッチングは簡単な
１段階法であり、それは反復性を高め、物質コストを低
下し、運転員制御を増強する。さらに、酸化物下層に対
する高い選択性はプロセス収量を高め、他の適用に対す
るプロセスの適応を一層容易にする。
好ましい反応性ガス化学種はO2/SiF4、より特定的にはN
F3/O2/SiF4を含む。SiF4は選択性窒化物エッチング剤で
ある（反応Ａ参照）。NF3は主窒化物エッチング剤であ
ることができる（反応Ｂ参照）。O2はSiF4からのケイ素
と結合して酸化物下層上に酸化ケイ素含有付着物を選択
的に形成し、従って酸化物層に対する選択性を高める
（反応Ａ参照）。例えば、典型的には窒化ケイ素含有ウ
ェーハの数の増加は窒化物エッチ速度を低下するが、し
かしNF3流量の増加は窒化物エッチ速度を高めることに
より、従って他のパラメーターが一定に保たれる場合で
も増加したウェーハ数に対して補償する。NF3の添加は
プロセスの使用可能範囲、すなわちプロセスウインドウ
を増大する。
（２）プロセス傾向（傾向線） 本発明の適合性および利点は３主ガス反応物NF3、O2およ
びSiF4の流量および流量比の変更によりホトレジストエ
ッチマスクに対するエッチング選択性に適合させ、並び
に酸化ケイ素含有化合物の付着速度の制御およびそれに
よる処理中の酸化物の減少または（増加）を制御するた
めに選んだプロセスガスが使用される能力により示され
る。これらの結果は標準の不変リアクター10（第１図）
を用いて達成される。選ばれるプロセスガスの効果は次
に総括される。
SiF4、NF3およびO2に対して適用できる平衡反応は： 反応A:SiF4＋O2SiO2＋４ 反応B:2NF3N2＋６ である。反応Ａは、SiO2が析出しフッ素が窒化物エッチ
ング剤であるので選択性機構を支配する。示されるよう
に、反応Ｂにおいてフッ素が窒化物エッチ速度を高め
る。
窒化物エッチ速度は主窒化物エッチング剤として使用さ
れるSiF4の流量に正比例する。
前記のように、また第２図および第３図に示されるよう
に、NF3の流量の増加は窒化物エッチ速度および酸化物
減少の両方を高める。
酸化物エッチ速度はウェーハ上のホトレジストのカバレ
ージにより影響される。殊に酸化物エッチ速度は一定プ
ロセス条件においてホトレジストにより覆われたウェー
ハの面積に逆比例する。ホトレジストカバレージの減少
／増加はエッチング中の酸化物減少を増大／低下する。
ホトレジストはSiOxの形成および付着を減速または禁止
する酸素ゲッターとして作用し、それは酸化物減少また
は増加、および選択性における鍵因子である。しかし、
後記のように、大面積ホトレジストカバレージを必要と
するIC設計および関連窒化物エッチング段階を酸素流量
の増加により補償することができる。
前記のように、酸化物エッチ／付着速度は全ガス流中の
酸素の割合の変更により影響され、制御される。実際
に、第４図および第５図に示されるように、窒化物エッ
チ速度および酸化物エッチ速度はともに全流の酸素割合
に逆比例する。しかし、酸化物および窒化物エッチ速度
の応答は酸素流量が増加すると異なり、これが選択性機
構を利用する能力に関与する。さらにNF3の添加は選択
性機構の制御に寄与する。
さらに第４図を参照すると、他のガスに関する酸素の流
量の減少／増加もまた酸化物上のSiOx、典型的にはSi
O2、の選択的付着を減少／増加し、従って、エッチング
中の酸化物の減少を低下／増大する。反応Ａ参照。酸素
の流量の増加は酸化物に対する無限選択性（零エッチ速
度）を与え、実際に減少よりはむしろ純酸化物付着また
は増加を与えるように十分に酸化ケイ素付着速度を高め
ることができる。事実上酸素流量比の変更は連続体の速
度から、すなわちスペクトルの一端における高エッチ速
度から零エッチ／付着に、付着まで酸化物エッチ／付着
を選ぶことを可能にする。さらに、我々の酸化物エッチ
／付着速度に対するホトレジストカバレージおよび酸化
物流の異なる効果の理解が、低酸化物エッチ速度および
異なるホトレジストカバレージに対する高い選択性をO2
流量の調整により得ることを可能にした。すなわち、大
面積ホトレジストカバレージを酸素流の増加により補償
することができる。
SiF4はエッチング剤である（窒化物エッチ速度はSiF4流
に比例する）。さらに、SiF4流の酸化物エッチ／付着に
対する効果は、酸化物（殊にSiO2）エッチ速度がSiF4流
に逆比例する点で、酸素流の効果に類似する。SiF4の流
量の減少／増加は酸化物減少を増大／低下する。
（３）実施例および適用 後表はAME8110低圧イオン補助プラズマリアクターを用
いる二酸化ケイ素上の窒化ケイ素のエッチングに対する
パラメーターの最適値並びに好ましいおよび有用な値の
範囲の総括である。このリアクターはアプライド・マテ
リアルズ社（Applied Materials,Inc.,Santa Clara Cal
ifornia）から入手できる。AME8110およびより一般的に
8100系列の低圧反応性イオンエッチング（RIE）モード
プラズマエッチングリアクターは第１図に系10として略
示される。RIE系10は円筒形反応室11および例示的に24
個のウェーハ、１ファセットに４個、を保持し、RF電源
13に連結された六角形カソード12を含む。排出口14は反
応室11の内部と真空ポンプとの間を連通する。反応室11
の壁および基底板16は系の接地アノードを形成する。ガ
ス源17からの反応性ガスの供給は入口18および室の上部
のガス分配環20への導管装置19を通して室11の内部へ連
通される。
リアクター系10の形状は不対称である。すなわちアノー
ド対カソード比は2:1より多少大きくアノード表面11に
比しカソード表面12の高いエネルギー衝撃を生ずる。そ
のような設計は低い出力密度および良好なエッチ均一性
を与え、室壁からの汚染を低下し、エッチ異方性の達成
を容易にする。さらに、カソード構造配置は全24ウェー
ハをプロセス中に垂直に配向させて粒子に対するウェー
ハの露出を最小化する。
そのようなRIEモード系において、高方向性の機械的イ
オン衝撃エッチ成分が一層等方性の化学成分を支配し、
系のエッチング特性に対し高い異方性を与える。従っ
て、RIEモード系は高密度小特徴サイズIC適用例えばLSI
およびVLSI回路のエッチング製造段階に好ましい。しか
し、AME8110エッチング装置および8100系列エッチング
装置の使用は例示にすぎないと考えるべきである。プロ
セスはまたアプライド・マテリアルズ社（Applied Mate
rials,Inc.,Santa Clara,California）から入手できる8
300系列エッチング装置で良好に使用された。より一般
的に、この方法は主に化学的に駆動され、従って前記ガ
スを取扱うことができるプラズマ状態エッチング系のす
べてに適用されよう。
下表が酸化物下層を損傷することなく窒化ケイ素をエッ
チングするためのプロセスパラメーターの次第に特定的
な有用な範囲を示す。すなわち第１欄は第２欄および第
３欄中に反映されるデータに基く有用な結果を与えるこ
とが期待されるパラメーターの範囲を示す。さらに、こ
の方法は化学的に駆動されるので、任意のプラズマ型
系、例えば表に示されるよりも広い範囲の圧力に対する
適用性を有する。第２欄はより狭く、従って高い窒化ケ
イ素エッチ速度、ホトレジストに対する高い選択性およ
び酸化物下層に対する高い選択性の一層最適の組合せを
与えるプロセスパラメーター範囲の一層特定的な組を示
す。第３欄は高い窒化物エッチ速度、ホトレジストに対
する適当な選択性および酸化物下層に対する非常に高い
選択性の組合せを24個の６インチウェーハ全負荷に対し
て与える点で現在好ましいプロセスパラメーターの特定
的に狭い組を示す。
一般に表は自明である。群として、および示したよう
に、それらには厚さ80〜1000オングストロームの熱成長
二酸化ケイ素層上に形成された厚さ約1000〜3000オング
ストロームの熱LPCVD窒化ケイ素またはプラズマ窒化物
（低圧化学蒸着）の層の、厚さ0.6〜1.5ミクロンのAZ14
70有機ホトレジストマスクを用いたエッチングが含まれ
る。
簡単に記載すると、典型的なエッチング法にはホトレジ
ストマスク／窒化物／酸化物複合体を含む１個またはそ
れ以上のウェーハを8110エッチ系内のファセット上に配
置し、標準洗浄、シーズニング、キャリブレーション段
階後、ガスを示した流量で所与滞留時間適用し、所与室
圧力および電力設定を用いることが含まれる。
示したように結果は全く良好である。ホトレジストに対
する選択性は広い、最適および好ましい全負荷範囲に対
して0:5、1:1および1:1である。熱LPCVD窒化物に関連
する熱酸化物下層に対する選択性は３範囲に対しそれぞ
れ＞3:1、＞5:1および約15:1である。また熱酸化物下層
に対する選択性はプラズマ窒化物に対しそれぞれ＞5:
1、＞10:1および約25:1である。我々の方法は優れた線
幅制御および垂直窒化物プロフィルを与え、線幅減を最
小化し、LOCOS熱酸化中の鳥のくちばし侵入（bird's be
ak encrochment）を最小化し、MOSデバイスに対する良
好なチャネル幅精細度を可能にする。全体の均一性は、
従来技術の高選択性対酸化物プロセスで8110を用いる先
行実験に対する±10％に比べて±４％である。さらに、
高い選択性および優れた均一性のために、残留熱酸化物
の均一性は従来技術法により与えられたよりも一層良好
である。
表の第２欄および第３欄に示されるように、NF3、O2およ
びSiF4の適当な流比は酸化物に対する高い選択性の達成
および制御に非常に重要である。また、圧力範囲は異方
性および臨界デイメンションの制御および維持のために
非常に重要である。AME8110リアクター中の圧力の実質
的な増加は臨界デイメンション制御およびおそらくエッ
チ速度の均一性を低下するであろうことが予想される。
表に示されるように、均一性の改良のために不活性ガス
例えばヘリウムをNF3/SiF4/O2反応物ガス組成に加える
ことができる。さらに、不活性ガス例えばヘリウムまた
はアルゴンをスパッタリングの目的に制御量で加えるこ
とができる。さらに、過去の経験はSF6をNF3の代りに、
すなわちNF3と（不揮発性硫黄が表面上に形成できるこ
とを除き）同様に機能させるために用いることができる
ことを示す。また系列CnHyFxXzにより示されるフレオン
含有ガスをホトレジストに対する選択性を高めるために
加えることができる。COまたはCO2を酸素の代りに用い
ることができる（しかし、不利な副作用例えば有機付着
物の形成を防ぐために賢明な選択が必要である）。最後
に、しかし網羅的でなく、窒素含有ガス例えばN2自体、
NO2またはN2Oの置換はエッチングまたは付着の間にケイ
素、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、ポリシリコンあるいは
金属導体例えばアルミニウムまたはタングステン上に窒
化ケイ素および（または）オキシ窒化ケイ素の付着を生
ずることができる。
一般に前記方法は、下層またはマスキング酸化ケイ素に
対する高い選択性が必要である場合にフッ素化学種によ
る揮発性生成物を形成する膜のエッチングに容易に適用
できる。従って、SiF4/O2、NF3/SiF4/O2およびNF3/SiF4/
O2/Heを用いる窒化ケイ素のエッチングに加えて、該方
法は二酸化ケイ素下層上に形成されたドープしたまたは
ドープしないポリシリコンの両方の選択的エッチングに
NF3/SiF4/O2/CnHyFxXz反応性ガスを用い；二酸化ケイ素
下層上のタングステンの選択的エッチングにNF3/SiF4/O
2/CnHyFxXz反応性ガスを用い；並びに下層二酸化ケイ素
および（または）二酸化ケイ素マスクに対する高い選択
性で、ドープしたおよびドープしない両単結晶ケイ素の
選択的エッチングにNF3/SiF4/O2を用いて容易に適応で
きる。そのような適用の１つは単結晶ケイ素のトレンチ
エッチングである。また、付着およびエッチバックを用
いるポリシリコンまたはアルミニウム線上のプラズマ二
酸化ケイ素のプレーナ付着に方法を拡大することができ
よう。二酸化ケイ素のプレーナ付着はデバイスパッシベ
ーションに対して使用できる。AME8100およびAME8300反
応性イオンエッチ系のバッチ現場多段階法の能力は１メ
ガビットおよび大埋込みキャパシタ設計の製造のために
本発明に十分に適用できよう。他の適用には多段階制御
法を用いるプロフィル制御に対する有機物質（例えばホ
トレジストおよびポリイミド）の等方性除去が含まれ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本方法を実施するための適当なプラズマエッチ
ング系の略示であり、 第２図〜第５図は酸化物および窒化物のエッチ速度に対
する種々のガスの効果を示す傾向線を示し、第２図は窒
化物エッチ速度対NF3流、第３図は酸化物エッチ速度対N
F3流、第４図は窒化物エッチ速度対O2流、第５図は酸化
物エッチ速度対O2流のグラフである。 10……プラズマエッチングリアクター、11……反応室、
12……カソード、13……RF電源、17……ガス源、20……
分配環。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−89484（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−20516（ＪＰ，Ａ)

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】酸化ケイ素下層上に窒化ケイ素層を含む物
    体の窒化ケイ素層であってその上に形成されたホトレジ
    ストマスクを有する窒化物層を、酸化ケイ素下層に対す
    る制御された選択性で選択的にエッチングする方法であ
    って、物体をSiF4酸素およびNF3のガス流から形成され
    たプラズマにさらすことを含む方法。
  2. 【請求項２】反応物ガス流がさらにホトレジストに対す
    る選択性を高めるためにフレオン含有ガスを含む、請求
    項（１）記載の方法。
  3. 【請求項３】反応物ガス流がさらにアルゴンおよびヘリ
    ウムからなる群から選ばれた不活性ガスを含む請求項
    （１）記載の方法。
  4. 【請求項４】ホトレジスト、酸化ケイ素に対する高い選
    択性で窒化ケイ素を選択的にエッチングするガス混合物
    であって、SiF4、酸素およびNF3を含むガス混合物。
  5. 【請求項５】下層酸化物層またはマスキング酸化物層に
    比して高い選択性で膜をエッチングする方法であって、
    該膜をエッチングするためのSiF4、酸素及びNF3の混合
    物から形成されたプラズマに該膜をさらし、かつ同時
    に、該プラズマのエッチング成分により、前記下層また
    はマスクの固有のエッチングを相殺するために選ばれた
    速さで、該下層又はマスク上に酸化ケイ素化合物を付着
    させることを含む方法。
  6. 【請求項６】SiF4、酸素及びNF3の混合物がさらにアル
    ゴン及びヘリウムから選ばれる不活性ガスを含む請求項
    （５）記載の方法。
  7. 【請求項７】酸化ケイ素下層上に窒化ケイ素の層を含む
    物体の窒化ケイ素層成分を、窒化ケイ素上に形成された
    ホトレジストエッチマスクを用い、プラズマエッチング
    室中で酸化ケイ素下層に対する制御された選択性で選択
    的にエッチングする方法であって、 マスクした物体をエッチング室内に配置し、前記室中
    へ、NF3、SiF4およびO2を含む反応性ガス混合物を連通
    し、反応性ガス混合物を付勢してホトレジストおよび酸
    化物下層に対する高選択性で窒化ケイ素をエッチングす
    るプラズマを形成する、 ことを含む方法。
  8. 【請求項８】反応性ガス混合物がさらにアルゴンおよび
    ヘリウムから選ばれる不活性ガスを含む、請求項（７）
    記載の方法。
  9. 【請求項９】二酸化ケイ素の膜に対して高選択性でケイ
    素および窒化ケイ素から選ばれる膜を選択的にエッチン
    グするプラズマ法であって、膜をエッチングし、同時に
    酸化物層上にプラズマのエッチング剤成分による酸化物
    層のエッチングの相殺するために選ばれた速さで酸化ケ
    イ素を付着する（ｉ）SiF4；（ii）NF3およびSF6から選
    ばれるフッ素化ガス；および（iii）酸素、COおよびCO2
    から選ばれる酸素化ガスを含むガス混合物から形成され
    たプラズマに膜をさらすことを含むプラズマ法。
  10. 【請求項１０】反応物ガス混合物がさらにアルゴンおよ
    びヘリウムから選ばれるガスを含む、請求項（９）記載
    のプラズマ法。
  11. 【請求項１１】反応物ガス混合物がさらにNF4、SiF4、酸
    素およびヘリウムを含む、請求項（10）記載の方法。
  12. 【請求項１２】二酸化ケイ素に対して高い選択性でケイ
    素または窒化ケイ素をエッチングするガス混合物であっ
    て、（ｉ）SiF4；（ii）NF3およびSF6から選ばれるフッ
    素化ガス；および（iii）酸素、CO及びCO2から選ばれる
    酸素化ガスを含むガス混合物。
  13. 【請求項１３】さらに（iv）アルゴンおよびヘリウムか
    ら選ばれるガスを含む、請求項（12）記載のガス混合
    物。
  14. 【請求項１４】混合物がNF3、SiF4、酸素およびヘリウム
    を含む、請求項（12）記載のガス混合物。
  15. 【請求項１５】酸化ケイ素に対して高い選択性でタング
    ステン含有膜およびポリシリコン膜から選ばれる膜を選
    択的にエッチングするプチズマであって、（ｉ）SiF4；
    （ii）NF3及びSF6から選ばれるフッ素化ガス；（iii）
    酸化、COおよびCO2から選ばれる酸素化ガス；および（i
    v）フレオン含有ガスを含むガス流から形成されるプチ
    ズマに膜をさらすことを含むプラズマ。
  16. 【請求項１６】酸化ケイ素に対して高い選択性でタング
    ステン含有層およびポリシリコン含有層を選択的にエッ
    チングするガス混合物であって、（ｉ）SiF4；（ii）NF
    3およびSF6から選ばれるフッ素化ガス；（iii）酸化、C
    OおよびCO2から選ばれる酸素化ガス；および（iv）フレ
    オン含有ガスを含むガス混合物。
  17. 【請求項１７】NF3、SiF4、酸素およびフレオン含有ガス
    を含む、請求項（16）記載のガス混合物。
  18. 【請求項１８】窒化ケイ素の層および酸化ケイ素の下層
    を含む物体の窒化ケイ素層成分をリアクター室内で選択
    的にエッチングする方法であって、窒化ケイ素をエッチ
    ングするために、酸化ケイ素下層のエッチングを抑制す
    るために酸化ケイ素下層の上に酸化ケイ素を付着させ酸
    素流量がSiF4流量の少くとも15％である、SiF4、酸素お
    よびNF3のガス流から形成されるプラズマをリアクター
    内に発生させ、かつ同時に酸化ケイ素下層のエッチング
    を抑制することを含む方法。
  19. 【請求項１９】O2/SiF4流量比が約50％である、請求項
    （18）記載の方法。
  20. 【請求項２０】O2/SiF4流量比が純酸化物付着を与える
    ために約1/1より大きい、請求項（18）または（19）記
    載の方法。
  21. 【請求項２１】窒化物層がホトレジストでマスクされる
    請求項（18）、（19）、または（20）記載の方法。
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